معمولا مولکول ها زیر یک میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) به شکل لکه های بیشماری دیده می شوند. اما تحقیقات منتشر شده در 20 آگوست 2010 (29 مرداد) در مجله Physical Review Letters نشان می دهد که نمونه ای از STM که به تازگی توسعه یافته است، چگونه می تواند ساختار ملکول ها را با جزییات بیشتری نمایش دهد.

در این نوع از STM یک تک ملکول هیدروژن یا دوتریم به نوک سوزن کاوشگر متصل شده است. تیم پژوهش نشان داد که فشار این مولکول ها در برابر سوزن کاوشگر منجر به نمایشی بهبود یافته در تصویربرداری می شود. این تکنیک تصویربردای که با استفاده از تاثیر نیروی رسانش الکتریکی از طریق سوزن کاوشگر انجام می شود ، در مقایسه با STM معمولی تصاویر کاملتری از الکترون های ملکول تهیه می کند.
یک STM به وسیله آوردن یک سوزن یا یک نوک تیز رسانا در محدوده نانومتری سطح، تصویربرداری می کند. وقتی ولتاژی به نوک سوزن متصل می شود، الکترون ها بین سطح و نوک سوزن جریان پیدا می کنند. و رسانایی از طریق این نقطه اتصال در هر نقطه از سطح اندازه گرفته می شود و برای ایجاد تصویر استفاده میشود. این رسانایی به عوامل متعددی، از جمله یک خاصیت نوک سوزن کاوشگر و سطح، که چگالی حالت (density of states) نامیده میشود، بستگی دارد. که به تعداد حالت کوانتومی موجود برای الکترون، در محدوده انرژی داده شده، اشاره دارد. این حالت ها شبیه اوربیتال الکترون ها در اتم یا مولکول است. بنابراین، حالت های بیشتر، رسانایی بالاتری را درپی دارد و در نتیجه تصاویر واضح تری از محل به دست می آید.
در این آزمایش ، پژوهشگرانی به سرپرستی "راسلن تمیرو" از مرکز تحقیقات "یولیچ" در آلمان کشف کردند که، آنها می توانند از یک غشا نازک ملکول های ارگانیک (برپایه کربن) که روی یک سطح فلزی واقع شده است بوسلیه پوشاندن سوزن STM از هیدروژن، قبل از اسکن کردن، تصاویری با جزییات بیشتر به دست آورند. تصاویر به دست آمده نشان داد مناطق درخشان اتم ها (که به وسیله لبه ها تفکیک شده بود) مشابه پیوندهای شیمیایی بین اتم ها است. اما پژوهشگران نتوانستند که دقیقاً بگویند این "میکروسکوپ هیدروژنی تونلی روبشی " (STMH) چه چیزی را اندازه گیری کرده است!
برای حل این مشکل، آن ها اکنون باید آزمایش را با یک ایزوتروپ سنگین تر هیدروژون که همان دوتریم است تکرار کنند تا بفهمند که چه روی داده است! آنها یک ملکول ارگانیک به نام PTCDA که روی سطحی از طلا قرار داده شده بود را اسکن کردند تا تصاویر یکسان با آزمایش قبل حاصل شود. تیم پژوهش خبر داد که مقدار رسانش اندازه گیری شده، نشان داده است تصویر محصول یک تک مولکول دوتریم متصل به سر سوزن است.
به طور معمول رسانش یک نقطه اتصال [سوزن و سطح] STM با نزدیک شدن سوزن به سطح به صورت نمایی افزایش می یابد. در این آزمایش تیمی ، همزمان با نزدیک شده سوزن و سطح، رسانش نسبتاً به کندی رشد می کرد و بعضی اوقات نیز کاهش پیدا می کرد. اما محدوده تغییرات در حدود یک آنگستروم بود. اندازه گیری های این محدوده تصاویری با وضوح بسیار بالا را حاصل کرد.
پژوهشگران این نتایج را از نظر دافعه بین الکترون ها همراه با اصل طرد پائولی توضیح دادند. این اصل بیان می کند که دو الکترون در یک زمان نمی توانند در یک حالت و مکان یکسان باشند. همزمان که نوک سوزن نزدیک می شود و الکترون های مولکول دوتریم از جانب سطح دفع می شوند، اوربیتالهایشان شروع به همپوشانی بایکدیگر میکنند. بنابراین حالت های الکترونیکی در سوزن که رسانش از طریق آنها تغییر می کرد، باز آرایی می شوند.
"تمیرو" توضیح می دهد که STM معمولی، تنها می تواند حالت های الکترونیکی از نمونه که در داخل بازه محدودی از انرژی قرار دارد را کاوش کند. زیرا انرژی حالت های شناخته شده بستگی به ولتاژ به کار گرفته شده دارد. با STHM رسانش همچنین به دافعه ایجاد شده به وسیله طرد پائولی که حالت تمام انرژی ها را تغییر می دهد، بستگی دارد. بنابراین STHM تصاویر کاملتری را می دهد. "تمیرو" همچنین می گوید: بعضی از پژوهشگران نیز با میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM) نتایج مشابهی به دست آورده اند، اما STM ها برای استفاده، راحت تر هستند.

"جان ون رویتنبیک" یک متخصص نانوفیزیک در دانشگاه "لیدن" هلند، می گوید: عمیات بعدی "ارائه تعبیری متقاعد کننده و جذاب تر از نتایج" آزمایش اصلی که تماشایی اما بسیار گیج کننده است، می باشد. او همچنین ادامه می دهد: حال ما در مورد چگونگی استفاده از آن در آزمایش های دیگر و راه هایی که برای بهبود و تعمیم آن وجود دارد، می دانیم. " رویتنبیک" نیز تکنیکی را پیشنهاد می دهد که می تواند برای شناسایی محصولات واکنش های شیمیایی به وسیله تصویربرداری از آنها، استفاده شود.

تصویر بالایی که با یک STM معمولی گرفته شده است، یک ملکول PTCDA را با جزییات کمتری نشان می دهد.
در حالی که تصویر میانی که با STHMی گرفته شده که در سر سوزن آن از یک تک مولکول هیدروژن یا دوتریم استفاده شده، و جزییات بیشتری را نشان می دهد. STHM نیروی نمونه در برابر این مولکول ها را اندزه گیری می کند.

منبع:  http://focus.aps.org/story/v26/st8

نوشته شده در تاریخ شنبه 4 دی 1389    | توسط: Behzad    | طبقه بندی: فیزیک،     |
نظرات()